Разработка метода вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД при стендовых испытаниях Посадов Владимир Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Состояние проблемы диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД 11

1.1 Причины возникновения аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора гтд 11

1.2 Требования нормативно-технической документации к проверке отсутствия флаттера 18

1.3 Анализ диагностических признаков, критериев и методов диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний 21

1.4 Сравнительный анализ методов прогнозирования аэродинамических и аэроупругих колебаний 35

Выводы по главе 1 47

ГЛАВА 2 Исследование влияния различных факторов на устойчивость рабочего колеса к флаттеру 49

2.1 Исследование влияния разброса жесткости лопаток рабочего колеса на его устойчивость к флаттеру 49

2.2 Исследование влияния изгибно-крутильной связанности форм колебаний рабочей лопатки на устойчивость к флаттеру 56

2.3 Конструкционное демпфирование колебаний в лопатках 61

2.4 Аналитическое определение диагностической частоты аэроупругих колебаний 62

выводы по главе 2 64

глава 3 Экспериментальные исследования аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД 66

3.1 Исследование влияния бокового ветра на возникновение аэроупругих колебаний компрессора 66

3.2 Исследование влияния демпферов в замках лопаток на возникновение аэродинамических и аэроупругих колебаний 76

3.3 Определение характеристик динамических сигналов для различных условий работы ГТД 84

3.4 Определение критерия диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний при различных условиях работы гтд 88

Выводы по главе 3 90

глава 4 Разработка методов вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД 92

4.1 Математическая модель вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний 92

4.2 Метод вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора гтд 93

4.3 Метод диагностики технического состояния гтд 96

4.4 прогнозирование изменения технического состояния гтд 99

выводы по главе 4 100

глава 5 Разработка алгоритмов и программ диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД 102

5.1 Алгоритм и программа вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора гтд 102

5.2 Алгоритм и программа вибрационной диагностики технического состояния гтд 104

5.3 Алгоритм и программа прогнозирования технического

5.4 Методика расчёта частотно-избирательных устройств 113

Выводы по главе 5 116

Заключение 117

Список сокращений и условных обозначений 119

• Анализ диагностических признаков, критериев и методов диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний
• Исследование влияния изгибно-крутильной связанности форм колебаний рабочей лопатки на устойчивость к флаттеру
• Определение характеристик динамических сигналов для различных условий работы ГТД
• Алгоритм и программа прогнозирования технического

Введение к работе

Актуальность темы обусловлена необходимостью своевременной и надежной диагностики опасных по своим последствиям аэродинамических (вращающийся срыв) и аэроупругих (флаттер) колебаний, сопровождающихся вибрацией корпуса и высокими вибрационными напряжениями в деталях компрессора газотурбинного двигателя (ГТД). Вращающийся срыв относится к вынужденным, а флаттер – к самовозбуждающимся колебаниям. Оба вида колебаний возникают на частотах, некратных частоте вращения ротора. Сложность задач, возникающих при диагностике флаттера и вращающегося срыва, обусловлена сложностью протекающих процессов, необходимостью учета множества факторов при взаимодействии упругих и аэродинамических сил.

При возникновении аэродинамических и аэроупругих колебаний детали ГТД подвергаются риску повреждения. По требованиям нормативно-технической документации двигатели подлежат проверке на отсутствие флаттера и вращающегося срыва. Такая проверка является длительной и затратной, поэтому при создании современных конкурентоспособных ГТД весь комплекс исследований необходимо проводить на минимальном количестве опытных образцов.

В настоящее время получил распространение метод диагностики флаттера и вращающегося срыва, при использовании которого уровень колебаний на диагностической частоте в спектре динамического сигнала сопоставим с уровнем шумов, а результат диагностики зависит от опыта и интуиции исследователя. Поэтому данный метод хотя и позволяет диагностировать оба эти опасных явления, но не в реальном времени и только на стационарных режимах.

Резервом повышения эффективности диагностики является внесение в метод вибрационной диагностики элементов прогнозирования. Прогнозирование и диагностика ранее рассматривались независимо друг от друга. Для сокращения затрат на проведение испытаний по проверке отсутствия флаттера и вращающегося срыва необходим эффективный метод диагностики, позволяющий своевременно обнаружить опасные колебания рабочего колеса компрессора ГТД.

Целью исследования является разработка метода вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, сокращающего затраты и сроки доводки ГТД за счет проведения испытаний на минимальном количестве опытных ГТД (с сохранением материальной части).

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ аналитических и экспериментальных методов диагностики и прогнозирования аэродинамических и аэроупругих колебаний; исследовать факторы, влияющие на повышение устойчивости к флаттеру и снижение вибрационных напряжений рабочего колеса ГТД;

2. выполнить экспериментальные исследования возникновения флаттера и вращающегося срыва в компрессоре ГТД при различных условиях проведения

испытаний – при изменении скорости бокового ветра и при установке демпферов в замках лопаток;

3. разработать критерий прогнозирования аэродинамических и аэроупругих колебаний, позволяющий предсказать их развитие;

4. разработать математическую модель вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, позволяющую анализировать их развитие с использованием критерия прогнозирования;

5. разработать метод вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, сокращающий затраты и сроки доводки ГТД за счет проведения испытаний на минимальном количестве опытных ГТД и реализовать его в виде алгоритма и программных средств диагностики.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории колебаний, преобразовании Фурье, теории фильтрации сигналов, аппарата математической статистики.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и выводов обусловлена корректным использованием сертифицированных программно-аппаратных средств при их проведении.

Научная новизна работы состоит в разработке:

1. способа определения диагностической частоты флаттера лопаток компрессора с учетом изменения их параметров (массы, жесткости) и параметров воздушного потока (плотности, скорости), а также механической и аэродинамической связанности колебаний;

2. критерия прогнозирования опасных колебаний компрессора ГТД, ранее не применявшегося при диагностике и позволяющего предсказать их развитие;

3. математической модели вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, позволяющей анализировать развитие колебаний по значению амплитуды вибрационного сигнала на диагностической частоте в зависимости от условий проведения испытаний;

4) метода вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих
колебаний в компрессоре ГТД с использованием разработанного критерия
прогнозирования, позволяющего своевременно диагностировать их развитие.

Практическая ценность работы состоит в повышении эффективности вибрационной диагностики при проведении испытаний ГТД, позволяющей сократить время и затраты на их проведение, и определяется:

4. получением экспериментальных данных о влиянии таких внешних факторов как бокового ветра и демпферов в замках лопаток на возникновение флаттера и вращающегося срыва в компрессоре ГТД, которые внесены в базу данных, используемую при диагностике;

5. разработкой алгоритма диагностики и прогнозирования аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД и программ, его реализующих;

6. подтверждением способов устранения аэродинамических и аэроупругих колебаний лопатки компрессора: на стадии проектирования за счет

разработки демпфирующего элемента, на стадии доводки путем изгиба средней линии пера лопатки без изменения формы ее профиля и массы, при эксплуатации за счет комплектования рабочего колеса лопатками по массовым и частотным характеристикам;

4) разработкой инженерной методики расчёта частотно-избирательных устройств различной сложности, являющихся элементами системы диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний.

Апробация работы. Материалы работы прошли апробацию в докладах на конференциях: Динамика и виброакустика машин (Самара, 2012 г.), Авиация и космонавтика (Москва, 2013 г.), Климовские чтения (Санкт-Петербург, 2013 г.), Академические Жуковские чтения (Воронеж, 2013 г.), Климовские чтения (Санкт-Петербург, 2014 г.), Динамика и виброакустика машин (Самара, 2014 г.), Научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения главного конструктора П.А. Колесова (Рыбинск, 2015); Климовские чтения (Санкт-Петербург, 2015 г.); Проблемы и перспективы развития двигателестроения (Самара, 2016 г.).

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в ПАО «НПО «Сатурн» при стендовых испытаниях ГТД, а также в учебном процессе РГАТУ имени П.А. Соловьева при чтении курса «Автоматика и регулирование» на кафедре «Авиационные двигатели».

Основные положения, выносимые на защиту.

7. Критерий прогнозирования, позволяющий предсказать развитие опасных колебаний компрессора ГТД, и зависимость по определению диагностической частоты флаттера, учитывающая изменение параметров лопаток, воздушного потока и механическую и аэродинамическую связанность колебаний.

8. Математическая модель вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, позволяющая анализировать их развитие по разработанному критерию прогнозирования на диагностической частоте.

9. Результаты экспериментальных исследований влияния бокового ветра и демпферов в замках лопаток вентилятора на возникновение флаттера и вращающегося срыва.

10. Метод вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний в компрессоре ГТД с использованием разработанного критерия прогнозирования, позволяющего своевременно диагностировать их развитие.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 27 печатных работ, из которых 4 патента на изобретения, 1 – на полезную модель и 6 статей опубликованы в журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Работа изложена на 177 листах, содержит 52 рисунка и состоит из введения, 5 разделов, заключения, перечня использованных источников из 109 наименований и 3 приложений.

Анализ диагностических признаков, критериев и методов диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний

Перекрытие части площади лопаточных венцов срывным, медленным потоком приводит при данном расходе воздуха к увеличению скорости, к уменьшению углов атаки и стабилизации потока на бессрывных участках, т.е. к выделению устойчивых бессрывных и срывных зон течения. Заторможенные частицы, находящиеся в срывной зоне в рабочих колесах, увлекаются их лопатками в сторону вращения ротора. При этом передняя (по вращению) часть срывной зоны на роторе попадает при своем движении в область свободного незаторможенного потока в аппаратах и прилегающих участках перед и за компрессором и «дросселирует» этот поток [1]. Это приводит к торможению воздуха на прилегающих к передней части срывной зоны участках направляющих аппаратов (НА), а также перед компрессором и за ним, т.е. к перемещению всей зоны срыва (зоны малой скорости) в сторону вращения ротора.

В результате вращения рабочих колес и обмена импульсом между потоком в колесах и аппаратах на границах, разделяющих зоны потока с большой и малой осевой скоростью, такие зоны перемещаются в сторону вращения рабочих колес, но с меньшей угловой скоростью [1].

Увлечение относительного диаметра втулки приводит к сильному падению относительной скорости вращения срывных зон. В ступенях с большим относительным диаметром втулки первоначально образуется одна срывная зона, вращающаяся с относительно малой угловой скоростью. По мере дросселирования ширина срывной зоны нарастает. По мере увеличения ширины срывной зоны скорость ее вращения сначала уменьшается, а затем в широком диапазоне расходов остается практически постоянной. При глубоком дросселировании может происходить деление области, занятой срывом, на две или большее число отдельных срывных зон. Область расходов, в которой происходит формирование срывной зоны в ступенях с большим относительным диаметром втулки, совпадает с областью резкого падения напора и КПД. Густота решетки, хотя и закономерно, но слабо влияет на скорость вращения срывной зоны: уменьшение густоты решетки рабочего колеса в два раза приводит к уменьшению скорости вращения срывной зоны лишь на 10%. Скорость вращения срывных зон практически не меняется при их дроблении. Увеличение угла изгиба профилей решетки рабочего колеса в рассмотренных случаях практически не приводило к изменению структуры срыва и скорости вращения срывных зон.

Основной причиной вращения срывных зон в компрессоре является увеличение срывного, замедленного потока лопатками рабочих колес.

Отличие скорости вращения срывных зон от скорости вращения рабочего колеса определяется в основном тормозящим воздействием неподвижных лопаточных венцов и участков воздушного тракта, примыкающих к лопаточным венцам перед и за компрессором.

Основными факторами, определяющими величину относительной скорости вращения срывных зон в ступени, являются число неподвижных направляющих аппаратов и относительный диаметр втулки.

Вращение срыва определяется вращением рабочих лопаток, которые увлекают за собой зоны срыва. Лопатки направляющих аппаратов, а также течение в зазорах между венцами и на некоторых участках на входе и выходе из компрессора оказывают тормозящее воздействие. Эти противоположные влияния уравновешиваются и в результате устанавливается некоторая стационарная скорость вращения срыва.

Структура вращающегося срыва в компрессоре достаточно сложна [24]. Как показали экспериментальные исследования, зоны срыва имеют вихревую природу и обычно, возникая в рабочих колесах, замыкаются в направляющих аппаратах. Если некоторые из ступеней компрессора работают на срывных режимах, а другие – в правых ветвях своих напорных характеристик, то срывное течение может не распространяться на весь компрессор, что неоднократно наблюдалось в компрессорах, регулируемых поворотами направляющих аппаратов. Имеются случаи, когда вращающийся срыв располагался только в рабочем колесе, не охватывая даже расположенные рядом направляющие аппараты. При этом скорость срыва также увеличилась. Сужение области распространения срыва по тракту компрессора также приводит к увеличению скорости его вращения. Широкий спектр интенсивных гармоник вращающегося срыва был обнаружен сразу же, как только к исследованию срыва стали применять методы спектрального анализа. При испытаниях многоступенчатого компрессора, регулируемого поворотом лопаток направляющих аппаратов, было установлено, что число интенсивных гармоник срыва возрастает при прикрытии лопаток ВНА. Возможно, что поворот лопаток направляющих аппаратов и возникающая при этом следовая неравномерность вносят некоторую несимметричность в структуру вращающегося срыва и тем самым способствуют появлению интенсивных гармоник высокого порядка. Таким образом рассмотренные свойства вращающегося срыва в многоступенчатом компрессоре связаны, главным образом, с его конструктивными особенностями, а также со способами регулирования.

Исследование влияния изгибно-крутильной связанности форм колебаний рабочей лопатки на устойчивость к флаттеру

Упругая 6 часть профилированного элемента загнута в направлении рабочего колеса 4 вентилятора, таким образом, что обеспечивает, при работе двигателя, возможность одновременного прижатия его фрикционной 5 части к ответным торцевым поверхностям рабочих лопаток 7 вентилятора и к ответным торцевым поверхностям платформ вентилятора 8.

Устройство демпфирования колебаний рабочих лопаток вентилятора газотурбинного двигателя работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 4 вентилятора под действием центробежной силы упругая 6 часть профилированного элемента 3 разгибается и прижимает, связанную с ней фрикционную 5 часть, к ответным торцевым поверхностям рабочих лопаток 7 вентилятора и к ответным торцевым поверхностям платформ вентилятора 8, создавая при этом силу трения, демпфирующую колебания рабочих лопаток. Кроме того, возникающий контакт фрикционной части профилированного элемента с торцевыми поверхностями рабочих лопаток 7 вентилятора и торцевыми поверхностями платформ вентилятора 8 уменьшает перетекание воздуха под рабочими лопатками вентилятора и платформами.

Устройство демпфирования колебаний рабочих лопаток вентилятора газотурбинного двигателя позволяет не только демпфировать колебания рабочих лопаток вентилятора газотурбинного двигателя, но и является контактным уплотнением, позволяющим уменьшить перетекание воздуха под рабочими лопатками вентилятора и платформами.

Частота флаттера является основным параметром, по которому выполняется диагностика, поэтому важно оценить влияние на нее различных параметров.

Лопаточный венец представлен в виде решетки эквивалентных профилей, совершающих колебания по изгибно-крутильным формам. Действующие при обтекании потоком профилей стационарные и нестационарные аэродинамические силы, и моменты инерции учитываются в виде коэффициентов в направлении осей. Из-за малого влияния удаленных профилей на аэродинамические силы, в модели рассматриваются три соседних профиля (рисунок 2.11). Зависимости, характеризующие механическую связанность профилей лопаток, в общем случае приняты различными. Рисунок 2.11 – Схема решетки профилей, обладающих одной степенью свободы

Уравнение движения решетки профилей, обладающих одной степенью свободы, имеет вид: pw2 f mna 2+kn+—an+2c A(1 + /3n) (pw2 an-1 C Л (pw2 an+1 C ) Л21 + Р:п+1+р-п+/Зп+1р-п) = 0 (2.5) где mn – массы профилей; kn – их собственные жесткости; an – аэродинамические коэффициенты влияния; с – коэффициент, характеризующий механическую связанность; – плотность набегающего воздушного потока; w – скорость набегающего воздушного потока; n – коэффициент, характеризующий влияние неоднородности на расстройку амплитуд и фаз колебаний.

На основе уравнения движения решетки профилей с малой динамической неоднородностью и исходя из условия баланса работ на границе устойчивости, полученного специалистами ЦИАМ А.А. Хориковым, В.М. Михайловым, С.А. Ивановым, были получены соотношения для определения частоты возникновения флаттера [82].

С учетом n-1=0, n=0, n+1=0 из уравнения (2.5) частота возникновения флаттера , учитывающая массы и собственные жесткости профилей решетки, плотность и скорость набегающего воздушного потока, амплитуды колебания профилей, а также механическую и аэродинамическую связанность лопаток примет вид [83]

Расчетная проверка показала, что в целом выведенные соотношения адекватно отражают физические процессы, происходящие при возникновении флаттера. Дальнейшее усовершенствование модели связано с учетом других существенных факторов при оценке устойчивости лопаток с большей изогнутостью, определением характера распределения суммарной работы аэродинамических сил по радиусу колеса, оценкой дестабилизирующего влияния соседних лопаток [84].

Математическое моделирование, несмотря на широкие возможности, позволяет получить лишь предварительную информацию по устойчивости компрессора газотурбинного двигателя к флаттеру. Для решения проблемы требуется инженерный анализ, расчет и эксперимент в нужном сочетании, поэтому выведенные соотношения требуют экспериментальной проверки.

Выводы по главе 2

1) Предложены способы устранения аэродинамических и аэроупругих колебаний лопатки компрессора: на стадии проектирования за счет разработки демпфирующего элемента, на стадии доводки путем изгиба средней линии пера лопатки без изменения формы ее профиля и массы, при эксплуатации за счет комплектования рабочего колеса лопатками по массовым и частотным характеристикам;

2) Исследовано влияние разброса жесткости на устойчивость лопаток рабочего колеса ГТД, одной из главных причин, приводящей к разбросу амплитуд при возбуждении срывного флаттера. Предложено использовать параметр комплектования, учитывающий весовые характеристики и частоты собственных колебаний лопаток по наиболее опасным формам. Был использован комплект из 27 рабочих лопаток, для которого разброс по частоте основного тона составлял 2,2 Гц, что составляло 3,7% от среднего значения частоты. Разброс по массе не превышал 0,056 кг, что составляло 2,5% от среднего значения массы лопаток. В качестве весовых характеристик кроме массы использовались радиальный и тангенциальный статические моменты. Комплектование лопаток по предложенному параметру, при обеспечении требований конструкторской документации по дисбалансу, позволяет использовать резерв повышения устойчивости за счет учета технологических допусков на лопатки при выполнении условия. Переход от жесткости к частоте делает метод применимым, т.к. данные по частотам собственных колебаний по основным формам известны по результатам их определения на вибростенде и документированы.

3) С целью выявления резервов повышения устойчивости рабочих лопаток ГТД к флаттеру было выполнено математическое моделирование изгиба пера лопатки методом конечных элементов с оценкой по критерию изгибно-крутильной связанности. При изгибе пера лопатки значение данного критерия увеличилось в 4,3 раза, что достаточно для снижения изгибно-крутильной связанности. Таким образом, повышение устойчивости рабочих лопаток ГТД к флаттеру было достигнуто изменением соотношения частот путем изгиба пера лопатки без перепрофилирования и увеличения их массы.

4) Разработано устройство демпфирования колебаний рабочих лопаток ГТД, которое дополнительно является контактным уплотнением, уменьшающим перетекание воздуха под рабочими лопатками вентилятора, что повышает КПД компрессора.

5) На основании уравнения движения решетки профилей с малой динамической неоднородностью и исходя из условия баланса работ на границе устойчивости получена зависимость для определения диагностической частоты флаттера, учитывающая массы и частоты собственных колебаний профилей решетки и скорость набегающего воздушного потока, амплитуды колебаний профилей, а также механическую и аэродинамическую связанность лопаток. Лопаточный венец представлен в виде решетки эквивалентных профилей, совершающих колебания по изгибно-крутильным формам. Действующие при обтекании профилей аэродинамические силы и моменты инерции учитываются в виде коэффициентов влияния. Зависимость позволяет исследовать влияние вышеперечисленных факторов на изменение частоты, однако не отменяет необходимость проведения экспериментальных исследований.

Определение характеристик динамических сигналов для различных условий работы ГТД

На рисунке 5.6 показано прогнозирование развития динамического сигнала с тензорезистора при флаттере по методу Невилла с использованием полиномов с 7 по 10 степень: на верхнем графике показан весь процесс; на нижнем – прогноз в большем масштабе. Из рисунка видно, что степень полинома оказывает существенное влияние на результаты прогнозирования. Для функции, близкой к линейной, предпочтительно использование полинома с меньшей степенью.

Использование полинома с большими степенями искажает результаты прогнозирования по причине накопления погрешности экстраполяции. Поэтому при практическом применении метода важно правильно вибирать степень полинома.

Разработана программа [108], применяемая для прогнозирования изменений, произошедших в работе ГТД, которые происходят при нарушении его нормального функционирования, например, при возникновении флаттера, образовании зон срывного обтекания (вращающийся срыв), а также трендов вибрации. Исходные данные вводятся посредством загрузки файла, представляющего собой одномерный массив значений в текстовом формате. Программа позволяет выполнять анализ исходных данных и делать прогноз о дальнейшем развитии динамического процесса. Результаты расчетов визуализированы в виде таблиц и графиков зависимостей от времени.

На рисунке 5.7 приведены результаты прогнозирования динамического процесса при флаттере, полученные с помощью разработанной программы.

Достоинством программы является возможность выполнения вычислений до достижения заданной точности, что значительно экономит машинное время по сравнению с вычислением по уравнению Лагранжа, требующим нахождения всех переменных, входящих в него.

Для диагностики вращающегося срыва в компрессоре ГТД была разработана программа [109], позволяющая определить частоту вращающегося срыва. Ввод исходных данных визуализирован в виде интерактивной схемы компрессора, позволяющей пользователю наглядно представить проектируемую ступень и задать параметры. Результаты ее использования показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных (расхождение результатов не превышало 5 %). Программа может быть использована при аэродинамической и прочностной доводке компрессоров авиационных ГТД.

Приведена методика расчета функционально законченных частотно-избирательных устройств различной сложности, реализованная в виде программы, которая позволяет рассчитать фильтры нижних, верхних частот, полосно-пропускающих, полосно-заграждающих фильтров, получивших наибольшее распространение (Баттерворта, Чебышева, эллиптических, Бесселя) различных порядков с заданной неравномерностью в полосе пропускания. Интерфейс программы представлен в виде рассчитываемой интерактивной схемы, позволяющей пользователю не только наглядно представить устройство, но и указывать значения параметров для его элементов. Программа снабжена подробной справкой, необходимой для расчета устройств, используемых при диагностике технического состояния ГТД в процессе стендовых испытаний. Приведены рекомендации по выбору их расчетных параметров и настройке.

Выбрали нормированные значения коэффициентов нижних частот для ФВЧ Чебышёва 4 порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,1 дБ: - для первого звена: B=1,27546; C=0,622925; - для второго звена: B=0,528313; C=1,330031. Выбрали емкость C1=0,01мкФ из условия: С —, мкФ. Вычислили значения сопротивлений: ; С Ri = щ -Q-R2 R2 = 4-С 2-в-о-С Для частоты среза/с=850 Гц, юс=2тг/с=5341 (рад/с): - для первого звена: R1=1 1,94 Юм; R2= 18,29 Юм; - для второго звена: R1 =l 1,94 Юм; R2=18,29 Юм. (5.1) (5.2) (5.3)

Данный фильтр оставляет в полосе пропускания составляющие на частотах, выше удвоенной роторной на максимально возможной частоте вращения (убирает составляющие от неустойчивости и составляющую на резонансе кронштейна в месте установки датчика ПОпрод).

Выбрали ФНЧ Чебышёва 4-го порядка, реализованного по схеме с ИНУН (рисунок 5.10). АЧХ данного фильтра приведена на рисунке 5.11.

Выбрали нормированные значения коэффициентов нижних частот для ФВЧ Чебышёва 4 порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,1 дБ: - для первого звена: B=1,27546; C=0,622925; - для второго звена: B=0,528313; C=1,330031. Приняли значения емкостей: C1=0,00336 мкФ; C2=0,008325 мкФ; Вычислили значения сопротивлений: ; 1 (s-C2 + A/J82-C22-4-C-C1-C2Jb( R2 = C-С 1-C2-R1-coс 2 Для частоты среза fс=3550 Гц, с=22310 (рад/с): - для первого звена: R1=5,219 кОм; R2=22,1 кОм; - для второго звена: R1 =4,233 кОм; R2 =10,67 кОм. (5.4) (5.5) 1) Разработаны алгоритмы диагностики с использованием параметров демпфирования, коэффициента эксцесса, метода Невилла и программа прогнозирования аэроупругих колебаний. Алгоритм Невилла позволяет при минимальных затратах машинного времени выполнять полиномиальную экстраполяцию функции с заданной точностью. При экстраполяции по методу Невилла было установлено, что при степени полинома от 7 до 10 достигается удовлетворительная сходимость с экспериментальными данными. Алгоритмы диагностики реализованы в виде программ, позволяющих своевременно выявить изменения, произошедшие в работе ГТД, связанные с образованием зон срывного обтекания или возбуждением флаттера. 2) Разработана программа расчета элементов системы диагностики технического состояния ГТД, в которой приведена методика расчета функционально законченных частотно-избирательных устройств различной сложности.

Внедрены и используются при испытаниях ГТД: способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины (патент на изобретение № 2511773), способ диагностики вида колебаний рабочих лопаток осевой турбомашины (патент на изобретение № 2598983), методика определения вращающегося срыва в компрессоре газотурбинного двигателя (программа для ЭВМ № 2014613330), методика определения нестационарных процессов в работе газотурбинного двигателя (программа для ЭВМ № 2013619784).

Алгоритм и программа прогнозирования технического

По форме сигналов определить вид аэроупругих колебаний не представляется возможным, поэтому целесообразно разработать универсальный метод диагностики. Для этого использован коэффициент эксцесса, позволяющий своевременно обнаруживать изменения, происходящие в работе ГТД.

Предлагаемый метод диагностики состоит в следующем. Предварительно задают исходные данные: минимальную частоту вращения ротора ГТД nр min, пороговое значение амплитуды виброскорости Vпор, пороговое значение амплитуды пульсаций давления потока Pпор. Определяют пороговое значение коэффициента эксцесса Ev пор, соответствующее пороговому значению амплитуды виброскорости и пороговое значение коэффициента эксцесса Ep пор, соответствующее пороговому значению амплитуды пульсаций давления потока.

В процессе испытаний в полосе частот, ограниченной фильтром низкой частоты, синхронно измеряют текущие значения частоты вращения ротора nр тек, амплитуды виброскорости Vтек и пульсаций давления потока Pтек (рисунок 4.4).

Для текущих значений амплитуд виброскорости Vтек и пульсаций давления потока Pтек определяют текущие значения коэффициентов эксцесса Ev тек и Ep тек, соответственно (рисунок 4.5). Выполняют проверку достижения текущими значениями коэффициентов эксцесса Evтек и Ep тек их пороговых значений Ev пор и Ep пор, при достижении которых устанавливают моменты времени (tv и tp, соответственно), в которые произошло достижение указанных пороговых значений [100].

По времени достижения коэффициентами эксцесса пороговых значений определяют вид колебаний рабочего колеса, а именно: - если текущее значение коэффициента эксцесса для сигнала с датчика пульсаций давления потока, достигает своего порогового значения раньше, чем текущее значение коэффициент эксцесса для сигнала с вибродатчика (tp tv), то это свидетельствует о наличии срывных колебаний в рабочем колесе; - если коэффициенты эксцесса для сигналов с датчика пульсаций давления потока и вибродатчика, одновременно достигают своих пороговых значений (tp = tv), то это свидетельствует о наличии флаттера в рабочем колесе (в этом случае режим работы изменяют). Метод диагностики колебаний позволяет своевременно выявлять изменения, произошедшие в работе ГТД, после чего проводится детальный анализ полученной информации для установления вида неисправности в работе ГТД. Метод не требует дополнительных затрат при подготовке к испытаниям. Его использование целесообразно для узкополосных вибрационных процессов применительно к ГТД с длительной наработкой и при исследовании аэроупругих колебаний.

Предложен метод прогнозирования флаттера [101] основанный на анализе исходных данных и прогнозе о дальнейшем развитии динамического процесса с помощью рекурсивного алгоритма Невилла [102], в основе которого лежит уравнение Лагранжа

В уравнении имеется N членов, каждый из которых является полиномом степени N – 1 и подобранным таким образом, чтобы равняться нулю при всех значениях xi за исключением одного, в котором он должна равняться yi.

Алгоритм Невилла позволяет при минимальных затратах машинного времени производить полиномиальную экстраполяцию функции с заданной точностью. Предложенный метод апробирован при прогнозировании изменений динамических сигналов.

1) Разработана математическая модель вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний компрессора ГТД, в которой процесс диагностики рассмотрен как прохождение сигнала через узкополосный следящий фильтр (ФНЧ Баттерворта), настроенный на диагностическую частоту флаттера или вращающегося срыва. Модель позволяет исследовать особенности изменения сигналов при возникновении аэродинамических и аэроупругих колебаний, что необходимо при проектировании технических средств их диагностики.

2) Разработан метод вибрационной диагностики аэродинамических и аэроупругих колебаний, основанный на построении АЧХ динамических сигналов при различных условиях проведения испытаний (с установкой демпферов в замках лопаток, при воздействии бокового ветра и т.д.). Разработанный метод не только не уступает по функциональным возможностям традиционно используемому методу (по пульсациям давления потока), но и позволяет выполнять диагностику не только на стационарных, но и на переходных режимах работы ГТД. Метод сокращает затраты и сроки доводки ГТД за счет проведения испытаний на минимальном количестве опытных ГТД. Метод защищен патентом РФ на изобретение и реализован в виде алгоритма и программных средств диагностики.

3) Дополнительно разработан метод вибрационный диагностики технического состояния ГТД. Метод обладает высокой чувствительностью к изменению технического состояния ГТД. Его целесообразно использовать для узкополосных вибрационных процессов. При регистрации вибрации в достаточно узкой полосе частот резкое изменение коэффициента эксцесса может рассматриваться как настораживающий фактор для приостановки испытаний с целью выполнения детального спектрального анализа. Метод был реализован при длительных испытаниях судового ГТД. Он показал значительные преимущества по своевременности диагностирования развивающегося дефекта по сравнению с традиционно используемым методом контроля вибрации.